两种型面轮轨滚动接触蠕滑率和摩擦功

采用数值分析方法详细分析了2种型面轮对与轨道在滚动接触过程中的接触几何、蠕滑率和摩擦功。在摩擦功分析计算中利用了Kalker三维弹性体非赫兹滚动接触理论,并考虑了轮轨的结构变形的影响。分析计算表明,在轮对运动相同的情况下,磨耗型轮对与轨道之间的蠕滑率和摩擦功与锥型轮对轨道之间的蠕滑率和摩擦功相差甚大。数值分析结果表明,现行铁路中正在推广使用的磨耗型轮对并不能减少轮轨接触表面之间的磨损,磨损型车轮的型面与钢轨尺寸的匹配还有待进一步改进。     

应用于高速轮轨滚动接触的蠕滑理论算法对比研究

运用多体动力学仿真软件UM建立了车辆-轨道多体动力学模型,并基于轮轨滚动蠕滑理论对比分析了FASTSIM算法与CONTACT算法两者在稳态和瞬态滚动状态中轮轨动态作用力之间的差异.计算结果表明:列车以稳态滚动状态行驶在直线轨道和曲线轨道上时通过FASTSIM算法计算得出的横、纵向轮轨蠕滑力与CONTACT算法的计算值存在的差异值较小,达到了10%~15%,而在瞬态滚动状态下尤其是在大蠕滑以及考虑风阻等比较恶劣的工况下行驶时计算得出的横、纵向蠕滑力与CONTACT算法的计算值存在较大的误差,差值达到了25%,并且随着车速的增加,最大差异值达到了30%,这表明CONTACT算法在瞬态滚动工况下进行蠕滑力计算上相比于FASTSIM算法更加精准,更适用于作出对列车运行时的安全性方面的评价.      

基于有限元法的轮轨蠕滑特性研究

轮轨滚动接触蠕滑率／力理论是轮轨相互作用一系列问题研究的基础．现有的几种计算蠕滑力的理论模型均建立在Hertz接触条件和半空间假设的基础上，已经无法完成对复杂的接触问题的进一步研究．使用有限元参数二次规划法来求解轮轨的三维弹性／弹塑性接触问题，得出了在不同的轴重、牵引力矩、摩擦系数、踏面形状、横向力条件下的轮轨接触力．提出用轮轨接触的轮周位移计算蠕滑率的新方法，并对在各种参数下所得到的蠕滑率进行了分析比较．     

轮轨滚动摩擦温升分析

利用有限元法,考虑轮轨间非稳态热传导、与环境的热对流以及热辐射的影响,建立了轮轨滚动接触热耦合计算模型来模拟轮轨滚滑摩擦温升;在模拟轮轨纯滑动条件下,计算分析了由磨损引起的滑动接触斑的尺寸增大对轮轨温度场的影响;在模拟轮轨接触斑部分滑动工况时,针对不同蠕滑率、摩擦系数以及轴重对轮轨温度场的影响进行了相应的计算分析.结果表明:接触斑材料的磨损速度只影响磨损过程中的温度场分布,其稳态温度场分布基本一致;热载荷随着纵向载荷、蠕滑率以及摩擦系数的增大而增大,进而影响轮轨滚动接触热疲劳.     

谐波型波磨激扰下轮轨系统接触蠕滑特性

将钢轨波浪形磨耗理想化为三种波长和波深组合的连续谐波激扰,通过多体动力学软件UM,分析不同波长和波深工况下谐波激扰对轮轨接触蠕滑特性的影响。研究表明,当波长固定、波深增大时,钢轨轮对垂向振动加速度和纵向蠕滑率/力的平均值均增大,横向蠕滑率/力平均值均减小。当波深固定、波长增大时,钢轨轮对垂向振动加速度平均值和纵向蠕滑率/力平均值均减小,横向蠕滑率/力平均值均增大。纵横向蠕滑率/力均含有与初始不平顺频率值相接近的特征频率成分,纵向蠕滑率/力特征频率随着波深的增大趋向高频段发展,横向蠕滑率/力特征频率集中在低频段,且随着波深增大逐渐减小。当波深为0.3 mm时,纵横向蠕滑率/力强度相当,能量主要集中在低频,频率比较单一;当波深达到0.6 mm和0.9 mm时,蠕滑率/力以纵向蠕滑率/力为主,表现出多频率特征。在波长相同的条件下,随着运营时间的增加,磨耗量在低频段增加较小,在中高频段增加较大。     

轮轨横向接触过程时域计算模型的建立与分析

为研究轮轨横向接触过程稳定性对曲线啸叫噪声的影响,利用改进的新型摩擦系数模型计算了轮轨接触面上的摩擦力变化,在考虑车轮横向、垂向动力学特性的基础上建立了轮轨横向接触系统时域模型。针对S型辐板辗钢整体车轮分析了横向蠕滑量和车轮阻尼对该系统的稳定性影响。结果表明,轮轨接触面上动静摩擦力之间的落差引起的粘滞一滑动形式的自激振动是引起曲线啸叫噪声的主要原因,增大车轮模态阻尼使其大干等效阻尼的临界值,或减小轮轨问横向蠕滑量使其小于0．0024可以使系统稳定,轮轨间的垂向刚度和阻尼会使系统不稳定频率与车轮模态频率产生偏移。     

不同润滑材料对轮轨磨损与滚动接触疲劳的影响

通过轮轨滚动接触模拟试验研究了干态、施加轨顶摩擦调节剂、润滑油和润滑脂工况下的轮轨摩擦、磨损和损伤行为,分析了不同润滑材料对轮轨滚动接触疲劳损伤的影响. 结果表明:施加轨顶摩擦调节剂可将轮轨摩擦系数调控至0.1~0.3范围内,车轮和钢轨试样磨损率较干态下分别降低了54.9%和26.3%,轮轨表面损伤、塑性变形和滚动接触疲劳损伤明显降低;施加润滑油和润滑脂具有更加显著的润滑和减磨效果,摩擦系数降低至0.1以下,磨损率降低85%以上,但润滑油和润滑脂会进入裂纹内部产生“油楔效应”,导致严重的滚动接触疲劳损伤,而轨顶摩擦调节剂的固体润滑特性则避免了该问题的产生.      

一种基于轮轨竖向刚性接触的车-桥空间耦合振动建模方法

车辆-桥梁耦合振动研究具有重要的理论意义和工程实用价值,耦合系统运动方程的建立是研究开展的关键。本文将车辆-桥梁作为一个整体系统,采取轮轨竖向刚性接触方式,考虑轨道竖向、横向不平顺及其一、二阶导数,和轮对侧滚惯性力以及自旋角动量的影响,车辆采用弹簧阻尼连接的多刚体模拟,桥梁采用空间梁单元离散,基于Kalker线性蠕滑理论结合Shen-Hedrick-Elkins修正理论计算轮轨蠕滑力,运用弹性系统动力学总势能不变值原理及其对号入座法则,推导了车辆-桥梁耦合系统空间有限元形式的运动方程,该运动方程可采用逐步积分法直接求解得到车辆和桥梁的动力响应。最后,本文给出了典型的数值算例进行了分析计算。     

基于高频轮轨作用的波浪型磨损研究

对高频轮轨相互作用下轨道的波浪形磨损问题进行了考察。通过引入轮轨的灵敏度，得到了轮轨间蠕滑力的波动同轨道表面不平顺幅值和表面曲率的波动关系；通过引入摩擦功计算了轨道表面的磨损，得到了磨损率的计算公式。结果表明，钢轨的磨损率同轨道的垂向动力行为密切相关；轨道表面不同点在不同激振频率下的磨损率不同。     

接触力学的发展概况

接触问题的解法,最先在弹性理论中得到发展且比较完善;以后,考虑到粘弹性、塑性、各向异性、动力学和运动学特性,而大大地发展了各种接触问题,远远超过了弹性理论的范围.本文对接触问题进行了分类,介绍了经典、非经典的弹性接触理论的发展概况.最后,比较详细地分析了国内外当前的研究结果和发展动向.      

轮轨三维弹塑性接触应力的算法研究

轮轨三维弹塑性接触应力的计算是研究轮轨接触疲劳的前提,本首次将ＣＯＮＴＡＣＴ程序与有限元方法相结合,考虑钢轨的真实几何形状和边界条件,形成了统一的轮轨滚动接触算法和软件ＣＭＥＦ,快速、有效地计算钢轨中真实的弹塑性应力场。     

NUMERICAL SIMULATION OF TWO-POINT CONTACT BETWEEN WHEEL AND RAIL

The elastic-plastic contact problem with rolling friction of wheel-rail is solved using the FE parametric quadratic programming method. Thus, the complex elastic-plastic contact problem can be calculated with high accuracy and efficiency, while the Hertz＇s hypothesis and the elastic semi-space assumption are avoided. Based on the ‘one-point＇ contact calculation of wheel-rail, the computational model of ‘two-point＇ contact are established and calculated when the wheel flange is close to the rail. In the case of ‘two-point＇ contact, the changing laws of wheelrail contact are introduced and contact forces in various load cases are carefully analyzed. The main reason of wheel flange wear and rail side wear is found. Lubrication computational model of the wheel flange is constructed. Comparing with the result without lubrication, the contact force between wheel flange and rail decreases, which is beneficial for reducing the wear of wheel-rail.     

轮轨试样表面粗糙度取向对油润滑下摩擦系数的影响

黏着力是列车安全与平稳运行的关键因素之一.最大黏着力与摩擦力有关,摩擦力的减小会导致黏着力的降低.表面粗糙度及其取向是影响摩擦系数的重要因素,然而,有关表面粗糙度取向对于混合润滑状态下摩擦系数的影响的研究结论似乎是矛盾的.用激光离散改性技术将车轮试样表面制备成具有菱形、纵纹、横纹3种典型的形貌,并且与不作激光离散改性处理的车轮试样作对比,用基于确定性模型的统一雷诺方程数值分析法和小比例尺度的轮轨试样摩擦学实验,得到的结论是:在油润滑状态下,激光表面形貌大幅提高摩擦系数,其中菱形对应的摩擦系数最大,纵纹与横纹的摩擦系数相差不大,摩擦系数的大小主要取决于由表面粗糙度取向决定的接触区内粗糙峰接触压力与总压力之比,侧流效应也是影响摩擦系数的重要因素,它主要取决于接触区内表面粗糙度的取向.     

On the Computer Formulations of the Wheel/Rail Contact Problem

In this investigation, four nonlinear dynamic formulations that can be used in the analysis of the wheel/rail contact are presented, compared and their performance is evaluated. Two of these formulations employ nonlinear algebraic kinematic constraint equations to describe the contact between the wheel and the rail (constraint approach), while in the other two formulations the contact force is modeled using a compliant force element (elastic approach). The goal of the four formulations is to provide accurate nonlinear modeling of the contact between the wheel and the rail, which is crucial to the success of any computational algorithm used in the dynamic analysis of railroad vehicle systems. In the formulations based on the elastic approach, the wheel has six degrees of freedom with respect to the rail, and the normal contact forces are defined as function of the penetration using Hertzs contact theory or using assumed stiffness and damping coefficients. The first elastic method is based on a search for the contact locations using discrete nodal points. As previously presented in the literature, this method can lead to impulsive forces due to the abrupt change in the location of the contact point from one time step to the next. This difficulty is avoided in the second elastic approach in which the contact points are determined by solving a set of algebraic equations. In the formulations based on the constraint approach, on the other hand, the case of a non-conformal contact is assumed, and nonlinear kinematic contact constraint equations are used to impose the contact conditions at the position, velocity and acceleration levels. This approach leads to a model, in which the wheel has five degrees of freedom with respect to the rail. In the constraint approach, the wheel penetration and lift are not permitted, and the normal contact forces are calculated using the technique of Lagrange multipliers and the augmented form of the system dynamic equations. Two equivalent constraint formulations that employ two different solution procedures are discussed in this investigation. The first method leads to a larger system of equations by augmenting all the contact constraint equations to the dynamic equations of motion, while in the second method an embedding procedure is used to obtain a reduced system of equations from which the surface parameter accelerations are systematically eliminated. Numerical results are presented in order to examine the performance of various methods discussed in this study.     

打捆机驱动轮系统接触三维有限元分析

应用ANSYS软件对打捆机驱动轮系统进行了三维接触非线性有限元分析，得出了接触应力的分布规律，并将其最大接触应力与应用简化方法进行了比较，两相吻合的结果表明，有限元分析结果可为系统的进一步精确分析提供依据．     

非稳态纯滚动接触弹塑性分析

建立了二维弹塑性非稳态循环纯滚动接触有限元模型.材料本构采用一种较好的循环塑性模型,并通过材料用户子程序在通用有限元软件ABAQUS中自定义该本构模型.通过在弹塑性无限半空间表面上重复移动随时间按简谐规律变化的赫兹法向载荷来模拟非稳态循环纯滚动接触过程.通过数值模拟,得到接触表面附近的残余累积变形、应变和残余应力.不同的最大赫兹接触压力对残余应力和残余应变影响较大.在简谐变化的法向接触载荷作用下接触表面的变形呈波浪形,随着滚动次数的增加,该波状表面沿载荷移动相反方向逐渐移动,但移动速率要衰减.波状表面波谷处的残余应力、应变和变形大于波峰处.随滚动次数的增加,残余应力增大但很快趋于稳定,残余应变也增大但增大速率衰减.     

微/纳尺度接触问题计算方法研究进展

接触问题广泛存在于现实生活的众多领域,近来随着微/纳米技术的不断发展,接触力学在基础理论和研究方法上面临许多新的挑战.本文在摩擦学的范畴内,对近年发展的若干求解微/纳尺度接触问题的计算方法及理论进行了综述.按发展先后及所解决问题的尺度范围划分,主要有3类评估微/纳尺度接触性能的计算方法:(1)连续介质力学方法;(2)分子动力学模拟; (3)多尺度方法.介绍了这3类计算方法的典型理论和主要数学描述,给出了这些方法对解决若干微/纳观接触问题如黏着效应、粗糙表面描述、表面摩擦及润滑、表面热效应、生物接触等的主要应用.最后, 探讨了微/纳尺度接触问题计算方法可能的发展方向及应用领域.      

高速铁路工程中若干典型力学问题

高速铁路是一个复杂的系统工程,涉及一系列关键力学问题.本文讨论高速铁路工程中的3个关键固体力学问题:高速铁路轮轨滚动接触力学问题、高速列车关键结构部件疲劳问题和高速列车与线路结构动态相互作用问题;概述了其研究进展与工程应用;提出了今后进一步结合高速铁路工程需求的研究方向.     

车辆/轨道相互作用理论研究进展及发展趋势

车辆与轨道之间的动力学相互作用问题,是铁路轮轨系统中最基本的问题．高速、重载铁路的发展,加速了车辆／轨道相互作用研究进程,也提出了更多更新的课题．在回顾轮轨相互作用研究历史的基础上,着重阐述了近二十多年来国内外在该领域所取得的研究进展,并对车辆与轨道相互作用研究趋势以及今后需重点开展的研究课题,提出了作者的观点．